Nukleáris morfológia

Az eszköz alapesetben általában egy szigetelő alaplapra állított 600-1200 menetszámú tekercsből, és a közepén keresztülmenő, belőle függőlegesen kiálló tömör nyitott vasmagból áll. Azaz nem más, mint egy elektromágnes. A tekercs hálózati feszültségre van kötve, amelyet egy nyomógombbal zárhatunk. Az eszköz alapműködése során a következő jelenség jön létre: a nagy menetszámú tekercs belsejébe helyezett nyitott vasmagra ráhúzott alumínium (vezető) gyűrű az áram bekapcsolásakor a vasmagról lerepül. A bemutatókon többnyire nem esik szó arról, hogy általában hálózati váltóáramot használnak, tehát a jelenség a bemutatott formában váltóáram hatására jön létre.A Lenz ágyú a Faraday-Lenz (indukció) törvénynek jellemző demonstrációs eszköze, amelynek működését a Lenz törvény értelmében az alábbiak szerint magyarázzák.

„Ha mágneses térben egy vezetőnek relatív elmozdulása van, és az erővonalaknak van a vezető elmozdulásának irányára merőleges összetevője, a vezetőben feszültség indukálódik. Ha a vezető zárt áramkört képez, az indukált feszültség hatására a körben áram folyik. Ennek az indukált áramnak az iránya mindig olyan, hogy mágneses hatásával gátolni igyekszik az őt létrehozó indukáló folyamatot. Jelen esetben a relatív elmozdulást.

Az áramkörbe kapcsolt tekercsben, vagy vezetőben, mind bekapcsoláskor, mind pedig kikapcsoláskor feszültség indukálódik. A Lenz-törvény értelmében iránya bekapcsoláskor az áramforrás feszültségével ellentétes, míg kikapcsoláskor azzal megegyező irányú.

Az áramerősség változása a tekercs keresztmetszetén áthaladó erővonalak számának – a fluxusnak – a változását is jelenti. A fluxusváltozás indukálja tehát a jelentkező +, vagy – előjelű többletfeszültséget. Bekapcsoláskor az áram 0-ról I-re növekszik. Az indukálódó feszültség következtében létrejövő áram iránya ellentétes az áramkörben meginduló áram irányával, így a ténylegesen folyó áram lassabban éri el maximumát. Kikapcsoláskor az áram I-ről 0-ra csökken. Az ekkor indukálódó feszültség következtében most viszont, olyan áram jön létre, amely a hirtelen megszűnését késlelteti, tehát a megszakítás után is folyik még áram valameddig a körben. Az önindukció jelenségében az áram és a mágneses tér tehetetlensége nyilvánul meg.

A törvényt Heinrich Lenz 1834-ben ismerte fel.” (Forrás: Wikipédia)

Arról is ritkán történik említés, hogy a jelenség folytonos egyenárammal is létrehozható (akkumulátorral), de csak az áram bekapcsolásának pillanatában, azaz egyetlen impulzus hatására jön létre. A váltóáram esetében természetesen egynél sokkal több impulzus van jelen, amely elengedhetetlen a jelenség létrejöttéhez, illetőleg fennmaradásához. Folyamatos üzemelés ugyanis csak impulzusárammal hozható létre. Ezért ugyanez a helyzet a váltóáramból egyenirányítással létrehozott pulzáló egyenáram esetében is. A szerkezet ezzel is a váltóáramhoz hasonló módon működik.

Az eszközzel bemutatott másik szokásos demonstráció az, amikor a vasmagra nem zárt, hanem felnyitott alumínium gyűrűt húznak. Ebben az esetben azt tapasztalják, hogy a jelenség nem jön létre, mert a gyűrű nem zárt.

Az eszköz fentebb írt működései itt láthatók:

http://www.youtube.com/watch?v=b8IwrFMDHDE

http://techtv.mit.edu/collections/physicsdemos/videos/514-physics-demo-jumping-ring

(A MIT  videóján jól látható, hogy a jelenség csak az áram bekapcsolásakor jön létre, a kikapcsoláskor NEM. Ez a tapasztalati tény eleve ellentmond a tudományos magyarázatnak.)

A Lenz ágyú azonban ennél jóval többre is képes. Valójában egy univerzális demonstrációs eszköz, amelyen az elektromos áram és az elektromágnesség jelenségeinek igen széles skálája mutatható be és magyarázható meg. Továbbá segít megismerni az elektromosságban használt vezető és nem vezető anyagok mágneses és elektromos tulajdonságait, valamint viselkedésüket is elektromos és mágneses térben.

Az alábbiakban az eszköznek ezeket a használati lehetőségeit ismertetjük:

1) Bemutatható az eszköz működése egyenárammal. Megfigyelhető, hogy az egyenáram kikapcsolásakor nincs impulzus, ezért nem jön létre a jelenség. Bekapcsoláskor azonban igen! Az egyetlen impulzus nem ad akkora hatást, mint a folyamatosan ismétlődő impulzusok. Ez jól megfigyelhető az alumínium gyűrű vasmagon való elmozdulásának magasságkülönbségén egyenáram és váltóáram esetében.

2) Bemutatható az eszköz működése pulzáló egyenárammal is. Megfigyelhető, hogy a pulzáló egyenáram is folyamatos működést tesz lehetővé, ugyanúgy, mint a váltófeszültség. Megfigyelhető, hogy a tekercsből zúgást tapasztalunk a folyamatos működés során, és mind a tekercs, mind a vasmag erősen melegszik.

3) Folyamatos működtetéssel bemutatható, hogy ha a vasmagra húzott alumínium gyűrűt a kezünkkel megakadályozzuk a felugrásban, akkor a tekercs zúgása felerősödik, és az alumínium gyűrű is erősen melegedni kezd. Ezt szokásosan a gyűrűben keletkező örvényáramokkal magyarázzák.

4) Az előbbi jelenséghez kapcsolódóan elvégezhetjük a következő kísérletet az eszközzel: fektessük el a tekercset a szigetelő alaplapon, és a vasmagot ugyanannyira toljuk bele, mint álló helyzetében volt. Zárjuk az áramkört, amire a vasmag a tekercs belsejébe ugrik addig a mértékig, ahol a tekercs elektromágneses tere és a vasmag indukált mágneses tere egyensúlyba kerül. Megfigyelhetjük, hogy ebben a helyzetben a tekercs zúgása és melegedése csökken, sőt, teljesen meg is szűnhet. (Az áramkör elemei és a vasmag harmóniában kerültek.)

5) Ha már fekvő helyzetben van a berendezés, hogy a vasmag a tekercs mindkét végén kiáll, elvégezhetjük a szokásos kísérletet most már két alumínium gyűrűvel a vasmag mindkét végén. Azt tapasztaljuk, hogy a Lenz ágyú mindkét irányban működik.

6) Ugyanebben a helyzetben elvégezhetjük a 4. pontban írt kísérlet fordítottját is úgy, hogy nem a tekercset, hanem a vasmagot rögzítjük (megfogjuk, vagy a két végén feltámasztjuk). Az áramkör zárása után ekkor a tekercs fog becsúszni a vasmag mágneses középvonaláig.

7) Mivel az eddigi kísérletekben a vasmagot és az alumínium gyűrűt is kézzel fogtuk meg az eszköz működése közben, érdemes elvégezni egy kísérletet arra nézve, hogy ez veszélyes lehet-e vagy sem. Ha egy feszültségmérőt érintünk a vasmaghoz, amelynek másik érintkezőjét földeltük, azt tapasztaljuk, hogy a műszer a hálózati váltófeszültség értékét, vagy annak felét mutatja. A mérőműszer szerint a vasmagban tehát áram folyik. Ez azonban nem valós mérési eredmény, amelyet egy fogyasztó közbeiktatásával azonnal ellenőrizhetünk. A fogyasztó nem jelez áramot. A vasmagon tehát nem folyik áram, azonban a műszer a tekercs változó mágneses tere által a vasmagba közvetített frekvencia értékét feszültségként jelzi.

8) Ugyanezt a kísérletet elvégezhetjük a vasmagra húzott és visszatartott alumínium gyűrűvel is. A vasmag által a gyűrűbe közvetített indukció hatására a gyűrű egésze képes az izzásig hevülni. Ha a gyűrű helyett egy kör alakú vezető keretet és az abba bekötött izzót húzunk a vasmagra, akkor az izzó világítani kezd, de maga a vezetőkeret is melegszik. (Ekkor elgondolkodhatunk azon, hogy a gyűrűben vagy a vezető keretben áram folyik-e, és az hozza létre a jelenséget, vagy pedig a gyorsan változó mágneses tér melegíti-e fel az anyagot. Ilyenkor gondoljunk arra is, hogy az áram mindig a magasabb potenciállal rendelkező hely felől folyik az alacsonyabb felé, és a gyűrűben ilyen helyek nincsenek. Annak anyaga és potenciálja, valamint vezető képessége homogén.)

A gyorsan változó mágneses tér hőhatásáról megnézhetjük a következő videót: http://www.youtube.com/watch?v=8n5sSmJsCdY 

9) A kísérletet tovább folytathatjuk más, az elektronikában alkalmazott vezető anyagokból készült gyűrűkkel (bronz, sárgaréz, vörösréz, ólom, cink, ón, ezüst, arany, szén, grafit, valamint vas, acél, nikkel és króm) is. Azt tapasztaljuk, hogy míg a jelenség minden paramágneses és minden diamágneses vezetővel létrejön, a ferromágneses és az antiferro-mágneses anyagokkal nem. Ezeket a vasmag nem lövi el, hanem annak a tövénél maradva erősen rezegnek. Ugyancsak nem jön létre a jelenség ferrittel vagy más fémoxidokból készült porkohászati anyagokkal. (Ezek jellemzően nem is vezetők, amelyet egy izzóval könnyen ellenőrizhetünk.)

10) Elvégezhetjük a kísérletet ugyanezekből az anyagokból készült gyűrűk felnyitott változatával is. Ekkor tapasztalni fogjuk, hogy a jelenség az alumíniumhoz hasonlóan ezek esetében sem jön létre. (A fentebb írtakhoz hasonlóan elgondolkodhatunk azon, hogy a jelenség miért csak zárt gyűrűvel, és miért csak diamágneses vagy paramágneses anyagokkal jön létre, és ferromágnesessel miért nem. Figyelembe véve, hogy a jelenség csakis vasmagos tekerccsel hozható létre, elgondolkodhatunk azon is, hogy a jelenségben több szerepe van-e a mágnességnek, mint az elektromosságnak. Hiszen az csak a vasmagban hoz létre indukált mágnességet. Lehetséges, hogy minden más jelenséget a vasmagban indukált (kényszer) mágnesség hoz létre.)

11) A ferromágneses anyagból (vas, nikkel, acél) készült gyűrűkkel megfigyelhetjük a mágneses összezáródás jelenségét is. Ha ugyanis a tömör vagy cső vasmagra nem túl tág, és az átmérőjénél hosszabb vékonyfalú vas csődarabot húzunk, akkor azt tapasztaljuk, hogy az áram bekapcsolása után erősen rezeg, de nem lökődik le a vasmagról. A tekercs zúgása és melegedése viszont nagyon erős. Ha ekkor a csődarabot körülbelül a kiálló vasmag feléig felhúzzuk, és közben az áramot kikapcsoljuk, a csődarab a vasmaghoz tapadva a helyén marad akkor is, ha a vasmagot közben kivesszük a tekercsből. A vasmag és a vasgyűrű mágnesesen egytestté egyesül. Ez az állapot korlátlan ideig fennmarad. (Eddig fél év volt a leghosszabb megfigyelés.)

A mágneses összezáródás jelenségét a világ Leedskalnin Perpetual Motion Holder kísérlete révén már ismeri, de a Lenz ágyú működése során való létrejöttét nem.  A jelenséget rendszerint fennmaradó mágnesáram létrejöttével magyarázzák, noha az összezárt testek kifelé nem mutatnak semmilyen mágneses hatást. Ezzel kapcsolatban itt látható két video:

http://www.youtube.com/watch?v=UFcd_QCLK5w

http://www.youtube.com/watch?v=QJSDYYaF3LA

A második video azért figyelemreméltó, mert ebben az esetben az összetapadó két test hosszában nem alkot zárt kört, így a jelenség nagyon hasonló a Lenz ágyúval létrejövő összetapadáshoz.

12) Az előző pontban írt jelenségre több kísérletet is végezhetünk. A vasmagon a csődarabot különböző magasságba felhúzva azt tapasztaljuk, hogy az összezáródás a vasmagnak csak körülbelül a fele magasságáig jön létre. Annál magasabbra húzva a csődarabot, az összezáródás már nem jön létre. Ekkor elgondolkodhatunk azon, hogy a vasmag mágneses tere valóban olyan alakú-e, mint a tekercs mágneses tere, és ennek van-e, lehet-e szerepe a mágneses összezáródásban.  

13) A 10-11 pontokban írt kísérletek alapján láthatjuk, hogy mennyire nem célszerű egyetlen kísérlet (alumínium gyűrű) alapján rögtön következtetést levonva, általános – minden vezetőre kiterjesztett – törvényt megfogalmazni. A két utóbbi kísérletből ugyanis egyértelműen kiderül, hogy a Lenz törvény csak a diamágneses és a paramágneses vezetőkre, azaz nem minden vezetőre igaz. A vasra például nem.

14) Az eszközzel éppen ezért további kísérletek is tervezhetők, amelyeknél a kulcsszerepet betöltő vasmag szerkezetét és formáját változtatjuk meg. A tömör vasmag helyett alkalmazhatunk cső, vagy osztott vasmagot is. Ehhez azonban ismernünk kell, hogy az anyag (vashuzal) méretei nem csökkenthetők korlátlanul, mert egy bizonyos vastagság alatt a mágnesség nem tud benne kialakulni. A legcélszerűbb az osztott vasmagot 2-3 mm vastagságú lágyított és szigetelt vasdrót kötegből elkészíteni (kerítésdrót, hegesztő elektróda). A kísérletekhez célszerű háromféle elrendezésben alkalmazni a kötegelt vasmagot. Egyik esetben a köteget csak a két végén kell összefogni. A másik esetben a köteget szigetelő csőbe kel foglalni, a harmadik esetben a köteget vékony falú vascsőbe (virágkaró darab) kell foglalni. A negyedik változat az üres csővasmag.

15) A csak a két végén összefogott kötegelt vasmaggal tapasztalhatjuk, hogy az indukció hatására benne kialakuló mágneses tér a vasmag közepén a szálakat egymástól eltaszító (azonos) pólusokkal jön létre. A taszítás a vasmag köteget középen szétfeszíti, megvastagítja.

16) A fémhéjjal borított kötegelt vasmaggal, vagy csővasmaggal megtapasztalhatjuk, hogy az eszközben ekkor a tömör vasmagnál erősebb indukció jön létre. Valamint ismételten ellenőrizhetjük, hogy a vasmagban áram ekkor sem folyik.

17) A szigetelő (műanyag) csővel kötegelt vasmaggal bemutathatjuk, hogy a jelenség akkor is létrejön, ha a gyűrűket a vasmagtól és a tekercstől szigetelővel elválasztjuk.

18) A 4-es és 6-os pontban írt kísérletek alapján további kísérleteket folytathatunk, amelyek megmutatják, hogy a vasmagos tekercs (elektromágnes), és az azon alapuló minden más berendezés (transzformátor) akkor működik a legkevesebb veszteséggel (hő, rezgés, stb.), ha a berendezés részei rezonanciában vannak. Észrevehetjük, hogy ez akkor érhető el legkönnyebben, ha engedjük, hogy a vasmag és a tekercs (ha több tekercs van, akkor a tekercsek) maguk találják meg a helyüket a vasmagon, illetőleg a vasmag a tekercs(ek)ben. Ekkor a vasmag mágneses, és a tekercs elektromágneses tere harmóniába kerül.

19) Kísérletezhetünk ezért U és teljesen zárt alakú vasmagokkal is, megengedve a tekercsek és a vasmag egymáshoz képest való elmozdulását. A szerzett tapasztalatok segíthetnek a kis veszteségű zárt vasmagok tervezésében.

20) Ehhez kapcsolódóan végezhetünk kísérleteket a gyűrűk helyett néhány menetű réz, sárgaréz és alumínium tekercsekkel is a vasmagon. Ekkor azt tapasztaljuk, hogy a nyitott tekercsek esetében nem jön létre a mágneses jelenség, de ha azokat legalább elektromosan zárjuk (végeit összeérintjük), a vasmagon való elmozdulás azonnal létrejön.

21) Végezhetünk kísérleteket szigeteletlen és szigetelt, nyitott és zárt tekercs vasmagokkal is. Ekkor a nagy menetszámú tekercs közepén átfűzve készítünk sokmenetű tekercs-vasmagot. Azt tapasztaljuk, hogy a tekercs ekkor is „megkeresi” a neki megfelelő rezonáns pontot a vasmag tekercsen, és elmozdul oda, ha engedjük. Szerencsés esetben ekkor (mérőeszközzel) észlelhetjük, hogy az áramfelvétel drámaian lecsökken, és ha a szigetelt tekercsvasmagra fogyasztó is volt kötve, akkor észlelhetjük, hogy a vashuzal ellenállása is drámaian lecsökkent. (Valójában – ideális rezonancia esetében – a vashuzal ellenállása nullára csökken, azaz kvázi szupravezetés jön létre.)

22) Próbálkozhatunk ez utóbbi összeállításban a frekvencia mérésével is. Ekkor – ideális esetben – azt tapasztalhatjuk, hogy a tekercsvasmag frekvenciainduktorként működik. Nem frekvenciaduplázás (sokszorozás) történik, hanem a frekvenciának a tekercsvasmag paramétereitől függő valódi feltranszformálása. (Vegyük észre, hogy az eszközünk ekkor egy olyan transzformátor, amelynek a vashuzal tekercs a vasmagja, és a szekunder tekercse is egyben.)

23) Megfigyelhetjük azt is, hogy mind a váltóáram, mind az egyenáram, mind a pulzáló egyenáram esetében a jelenség csak az áram bekapcsolásakor jön létre. A kikapcsoláskor „összeomló” mágneses tér nyitott vasmagnál nem hozza létre a jelenséget, csak a felépülő mágneses tér.

24) Végül, megfelelő mágneses indikátor eszközök használatával észrevehetjük, hogy a ferromágnesség és az áram hatására a tekercsben létrejött kényszermágnesség csak annyiban azonos, hogy mindkettő kétpólusú. A ferromágnes azonban a közepén rendelkezik egy semleges mágneses „egyenlítővel”, azaz tere kétkörös, míg a dia- vagy paramágneses anyagokban keletkező kényszermágnesség ilyen hellyel nem rendelkezik, azaz terének alakja egykörös. (Lásd a 12. pontban írtakat)